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1、半主动减振器工作原理及控制方式丁问司1控制规则11悬挂系统分类悬挂系统从振动控制的角度来说可分为主动悬挂与被动悬挂，其中主动悬挂 按其是否需要外界能量的供应可分为有源主动悬挂和无源主动悬挂。有源主动悬挂也称全主动悬挂，通常由产生主动力或主动力矩的装置（油缸、 气缸、伺服电机、电磁铁）、测量元件（加速度传感器、速度传感器、力传感器 等）和反馈控制系统等几部分及一个能连续供应能量的动力源组成。无源主动悬挂也称作半主动悬挂。由无能源输入但可进行控制的阻尼元件和 弹性元件组成，其减振方式和工作原理与被动悬挂相似，不同的是悬挂参数可在 一定的范围内任意调节，以获得最佳的减振效果。半主动悬挂与全主动悬挂的
2、区别是前者只能调节阻尼力的大小，而后者则可 同时控制阻尼力的大小方向。半主动悬挂的核心实际上是一种可调阻尼减振器，其阻尼力大小一般通过调 振节流孔开度来获得，而对阻尼力的约束条件是：系统振动时联系于阻尼器的能 量全部耗散掉。12列车半主动控制原理悬架系统的半主动控制原理在七十年代由美国人Karnopp提出，旨在以接近 被动悬挂的造价和复杂程度来提供接近主动悬挂的性能。其基本思想是根据激励 和系统的状态调节悬挂系统中的刚度和阻尼，以使某个性能指标达到最优。由于 在半主动状态下改变系统的刚度非常困难，目前的研究实际上仅限于对悬挂系统 阻尼的控制。多年研究使得半主动悬架控制系统衍生了多种控制方式，其
3、中包括：慢速控 制、天棚控制、相对控制、最优控制、预测控制、自适应控制、神经网络控制等。 从工程实践的情况来看目前只有天棚控制方式取得了较好的效果，并已运用到成 熟的产品中。日本KYB公司与铁道总研联合研制的列车横向半主动减振器及是运 用了天棚（Sky Hook）控制原理。列车天棚原理的基本控制逻辑是被称为“天棚悬架”的数学模型，如图1所 示。假设列车是沿一道虚拟的刚性墙移动，在虚拟墙与车体之间通过一虚拟减振 器的作用来减小车体振动，此虚拟减振器称天棚减振器。按照天棚原理，列车运行时理想的状况是天棚减振器始终处于工作状态以提 供减振力。由于天棚减振器是虚拟的，则其应提供的减振力实际上由安装于车
4、体 与转向架间的横向减振器模拟提供。假设车体的绝对速度X为正（设向右为正），相对速度也为正时（车体相对1转向架向右运动），虚拟的“天棚减振器”应产生一向左的力，实际中的横向减 振器也产生一向左的力，此两力的方向相同，则F二F。rs仍假设车体的绝对速度X为正，而相对速度为负时（车体相对转向架向左运1动），虚拟的“天棚减振器”应产生一向左的力，但实际中横向减振器却产生一 向右的力，希望值与实际值方向相反。若此时仍让横向减振器提供向右的力，则 会加速车体的振动。可见，这种情况下则不能实现天棚原理，最好的方法是将横 向减振器的切换为关状态不提供减振力，使其值为零。同样可推理车体在绝对速度X为负时的两种
5、状态。车体1nFsX2F rCSX1转向架横向减振器 （实际减振器）天棚减振器 （虚拟减振器）图1 天棚减振控制原理由上可知，对于可调阻尼的横向减振器的基本控制逻辑是要求减振器提供的 阻尼力满足下式： F = -CX 当 X (X- X )0 时(a)1-1)r s 1 1 1 2F = 0当 X (XX )W0 时(b)r 1 1 2按照这种逻辑设计的半主动悬挂系统称“连续变化式半主动悬架”，这是因为实际中减振器能提供的阻尼力为C* （XX ）,而要达到的“天棚减振器”的阻r 1 2尼力为C* X,由于X和XX是连续变化的，所以实际减振器的阻尼系数C也s 1 1 1 2 r要连续变化，使得C
6、 = C X/ （X X）。但当X X趋向零时，要求C趋于无穷 r s 1 1 2 1 2 r 大，这是这种控制方式的缺陷之一，也是这种减振器不能达到理想悬挂性能的原 因之一。对此问题的一般解决方法是限制C的大小，使其不超过上限值C和下 rmax限值C的范围。 CmaxC = C X/(X X)r s 1 1 2CminminC X/(X X)Cs 112 maxC VC X/(X X )0 时(a)r s 1 2 1 1 2F = 0当 X (XX)W0 时(b)(1-3)r 1 1 2这种减振器的阻尼系数C与天棚减振器的阻尼系数C是相同的，为定值。 此类半主动减振器的优点是实现结构较简单，
7、但在高频时它比连续变化的减振器 的减振效果要差，在低频时则反之。2工作原理21半主动减振器结构原理图2为半主动减振器结构原理图，由图可看出半主动减振器较被动式减振器 不同之处在于多了一套控制系统，此控制系统由加速度传感器、控制器、两个电 磁阀和一个电液比例安全阀及相应的油路组成。天棚控制所需提供减振力的大 小、方向及状态的转换均是由电磁阀和电液比例安全阀通过不同的状态组合而得 到的。图中所示为各阀非控制（失效）状态的情形。 22半主动悬挂系统配置半主动悬挂系统的配置形式如图3所示，每个转向架上对称布置两个半主动 减振器，每个转向架上方安置一个加速度传感器。一台车配置四个减振器、两个 加速度传感
8、器和一台控制器。车体图3半主动悬挂系统的配置形式控制器23半主动悬挂系统工作原理分析231天棚减振力方向的控制车体减振器A 低压腔低压腔Paly-0-H卜目转向架图4 XO、X X二X 0时半主动减振器工作状态1 1 2 3如图4所示，半主动减振器A、B作用在车体与转向架之间，其对应的控制阀分别为 A、A、A、A、A、A、B、B、B、B、B、B。 123456123456当X0、X X=X 0时，阀A、B得电动作，其对应的控制油路被接通。1 1 2 3 1 2此时减振器A的活塞相对缸体向右运动（拉出），其右腔油液通过节流阀A和电4 液比例溢流阀 A 流向左腔。同时，油箱中储蓄的油液流进左腔，用
9、于补偿有杆5腔（右腔）对无杆腔（左腔）在运动时体积差而所带来的供油流量不足。由于A、A具有节流作用，因此，此时右腔为高压腔、左腔为低压腔（压力约为0）。45减振器A的活塞承受的合力F向右，此力作用在车体上，阻止车体向右运动。rA同时，减振器B的活塞相对缸体向左运动（收缩），由于单向阀B的截止作5用，右腔油液只能通过阀B流入左腔，并通过节流阀B和电液比例溢流阀B流6 4 5向油箱，并产生高压，此时回路中的流量等于无杆腔（右腔）对有杆腔（左腔） 在运动时产生的体积差。由于提动阀B得电打开，使得减振器B的左、右腔的2压力相等，均为高压腔（压力为P），而右腔（无杆腔）活塞有效面积为左腔（有BH杆腔）活
10、塞有效面积的两倍，所以，液压力作用在活塞上的合力F向左，并与rBF 一起作用在车体上，阻止车体向右运动。rA当X0、XX二XV 0时，各阀的状态保持不变，如图5所示。1 1 2 3车体*Yl图5 X 0、X X =X V0时半主动减振器工作状态1 1 2 3减振器A活塞相对缸体向左运动（收缩），左腔的油液分两路流动，一路通 过阀A&流入右腔，补充活塞移动带来的油腔体积增大；多余的油量通过另一油 路由提动阀A流向油箱。由于单向阀A和提动阀A不产生流动阻力，油路及左、1 6 1右腔均不产生压力，活塞所受的合力F为0。此状态下减振器A不提供减振力。 rA同时，减振器B活塞相对缸体向左运动（拉出），由
11、于单向阀B的截止作用，6 左腔油液只能通过阀 B 流入右腔，其不足部分由油箱供油来补充。由于提动阀2B不产生流动阻力，油路及左、右腔均不产生压力，活塞所受的合力F为0。此1rB状态下减振器B也不提供减振力。由以上分析可知，当X0、X X=X 0时减振器A、B可提供向左的减振 1 1 2 3力，实施减振作用；当X 0 XX=X V0时减振器A、B不提供减振力。从而 可在X 0时实现天棚原理对减振力方向的控制要求。1同理，可推出当X VO、X V0时减振器A、B可提供向右的减振力，当X V0、1 3 1X0时减振器A、B不提供减振力。由此也可在X V0时实现天棚原理对减振力31方向的控制要求。表1
12、 不同速度状况下，各阀的动作状态AAAoAAABBBOBBBX 01X 03通得 电断失 电3 通得 电 调 整通产 生 阻 尼5通断断失 电通得 电3 通得 电 调 整通产 生 阻 尼5断通连 通 左 右X VO3通得 电断失 电无 效无 效断通断失 电通得 电无 效无 效通断X V01X 03断失 电通得 电无 效无 效通断通得 电断失 电无 效无 效断通X V03断失 电通得 电通得 电 调 整通产 生 阻 尼断通连 通 左 右通得 电断失 电通得 电 调 整通产 生 阻 尼通断232天棚减振器减振力幅值的控制天棚阻尼器减振力的幅值大小是通过调整节流阀和比例安全阀的参数来实 现的。节流阀
13、工作时流量与压力的关系可表示为式2-1，成指数关系，其特性曲线 如图6所示。P2C 2 S 2Q22-1图6 节流阀的流量特性曲线图7电液比例安全阀的特性曲线电液比例安全阀的工作特性曲线如图7所示，当油路中的压力高于某一设定压力时，安全阀开启。开启后，由于存在调压偏差，被控压力随流量的增加而略有上升。电液比例安全阀的安全压力设定值可由电压信号成比例的控制，所以 其特性曲线为相互平行的一族曲线。图8 基于节流阀与电液比例安全阀组合控制油路的工作特性曲线天棚阻尼器在实际控制时是由节流阀与安全阀组合控制的，其组合后系统压 力控制特性可由图8来表示。理论上，在曲线与水平轴间的任一位置对应的压力 均可通过改变阀的参数而获得，实现系统压力的无级调节。在图8中，若改变节流阀的孔径大小，可使得指数曲线变得陡峭或平缓，从 而使得整个曲线左右移动。若改变电液比例阀的开启压力设定值可使得整个曲线 上下移动。由于组合阀的过流量与活塞的运动速度成比例关系，所以图8也可以理解为 活塞速度与减振力的关系图。减振器工作时大多数情况下，安全阀处于开启状态，如何调整电压（电流） 从而调整开启点、控制输出压力是控制过程中十分重要的问题。通过理
